中国给水排水 2018年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会 (第九届)邀请函暨征稿启事
 
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A2/O工艺原理、特点及效果改进措施/A2/O不宜作为污水处理升级改造工艺 /污水厂提标改造中A2/O工艺应用发展趋势

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-12-07  浏览次数:100
核心提示: A2/O工艺原理、特点及效果改进措施/A2/O不宜作为污水处理升级改造工艺 /污水厂提标改造中A2/O工艺应用发展趋势
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中国给水排水 2018年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会 (第九届)邀请函暨征稿启事
 

A2/O工艺原理、特点及效果改进措施/A2/O不宜作为污水处理升级改造工艺 /污水厂提标改造中A2/O工艺应用发展趋势

 

A2/O工艺原理、特点及效果改进措施

快速阅读

A2/O工艺是Anaerobic-Anoxic-Oxic的英文缩写,它是厌氧-缺氧-好氧生物脱氮除磷工艺的简称。该工艺处理效率一般能达到:BOD5和SS为90%~95%,总氮为70%以上,磷为90%左右,一般适用于要求脱氮除磷的大中型城市污水厂。但A2/O工艺的基建费和运行费均高于普通活性污泥法,运行管理要求高,所以对目前我国国情来说,当处理后的污水排入封闭性水体或缓流水体引起富营养化,从而影响给水水源时,才采用该工艺。

工艺流程

A2/O工艺是Anaerobic-Anoxic-Oxic的英文缩写,它是厌氧—缺氧—好氧生物脱氮除磷工艺的简称。A2/O工艺于70年代由美国专家在厌氧—好氧磷工艺(A~/O)的基础上开发出来的,该工艺同时具有脱氮除磷的功能。

该工艺在好氧磷工艺(A/O)中加一缺氧池,将好氧池流出的一部分混合液回流至缺氧池前端,该工艺同时具有脱氮除磷的目的。

工艺原理

1、首段厌氧池,流入原污水及同步进入的从二沉池回流的含磷污泥,本池主要功能为释放磷,使污水中P的浓度升高,溶解性有机物被微生物细胞吸收而使污水中的BOD5浓度下降;另外,NH3-N因细胞的合成而被去除一部分,使污水中的NH3-N浓度下降,但NO3-N含量没有变化。

2、在缺氧池中,反硝化菌利用污水中的有机物作碳源,将回流混合液中带入大量NO3-N和NO2-N还原为N2释放至空气,因此BOD5浓度下降,NO3-N浓度大幅度下降,而磷的变化很小。

3、在好氧池中,有机物被微生物生化降解,而继续下降;有机氮被氨化继而被硝化,使NH3-N浓度显著下降,但随着硝化过程使NO3-N的浓度增加,P随着聚磷菌的过量摄取,也以较快的速度下降。

A2/O工艺它可以同时完成有机物的去除、硝化脱氮、磷的过量摄取而被去除等功能,脱氮的前提是NO3-N应完全硝化,好氧池能完成这一功能,缺氧池则完成脱氮功能。厌氧池和好氧池联合完成除磷功能。

工艺特点

(1)厌氧、缺氧、好氧三种不同的环境条件和不同种类微生物菌群的有机配合,能同时具有去除有机物、脱氮除磷的功能。

(2)在同时脱氧除磷去除有机物的工艺中,该工艺流程最为简单,总的水力停留时间也少于同类其他工艺。

(3)在厌氧-缺氧-好氧交替运行下,丝状菌不会大量繁殖,SVI一般100,不会发生污泥膨胀。

(4)污泥中磷含量高,一般为2.5%以上。

(5)脱氮效果受混合液回流比大小的影响,除磷效果则受回流污泥中夹带DO和硝酸态氧的影响,因而脱氮除磷效率不可能很高。

存在问题

A2/O工艺当脱氮效果好时,除磷效果较差,反之亦然,很难同时取得好的脱氧除磷效果。原因为:

该流程回流污泥全部进入厌氧段,为了维持较低的污泥负荷,要求较大的回流比(一般在40%~100%),方可保证系统硝化良好,但回流污泥也将大量硝酸盐带入厌氧池,而聚磷菌放磷的条件是厌氧状态,并同时有溶解性BOD5存在。

但当厌氧段存在大量硝酸盐时,反硝化菌会以有机物为碳源进行反硝化,等脱氮完全后才开始磷的厌氧释放,这就使得厌氧段进行磷的厌氧释放的有效容积大为减少,从而使得除磷效果较差,而脱氮效果较好。

反之,如果好氧段硝化作用不好,则随回流污泥进入厌氧段的硝酸盐减少,改善了厌氧段的厌氧环境,使磷能充分地厌氧释放,所以除磷的效果较好,但由于硝化不完全,故脱氮效果不佳。所以A2/O工艺在脱氮除磷方面不能同时取得较好的效果。

改进措施

针对上述A2/O工艺存在的问题,应对该工艺的设计和运行作如下改进:

(1)将回流污泥分二点加入,减少加入到厌氧段的回流污泥量,从而减少进入厌氧段的硝酸盐和溶解氧。在保证总的污泥回流比为60%~100%的情况下,一般到厌氧段的回流污泥比为10%,即可满足磷的需要,而其余的回流污泥则回流到缺氧段以保证氮的需要。

(2)A2/O工艺系统中剩余污泥含磷量较高,在其消化过程中磷会重新释放和溶出。同时由于剩余污泥沉淀性能较好,所以可取消消化池,直接经浓缩压滤后作为肥料使用。

(3)在硝化好氧段,污泥负荷率应小于0.18kgBOD5/(kgMLSS·d),而在除磷厌氧段,污泥负荷率应在0.10kg BOD5/(kgMLSS·d)以上。

结语

A2/O工艺在去除污水中有机碳污染(BOD污染)的同时,还能有效去除污水中氮和磷污染,为污水复用和资源化开辟了新的途径,它与普通回流污泥法二级处理后再进行三级物化处理相比,不仅投资和运行成本低,而且无大量难以处理的化学污泥,具有良好的环境效益和经济效益。

来源:水博网

郝晓地 | A2/O不宜作为污水处理升级改造工艺

原创2017-09-05郝晓地中国给水排水

摘要

以国内普遍采用的A2/O工艺为背景,通过与UCT工艺模拟对比揭示,A2/O在脱氮上略逊UCT,但在除磷方面明显落后于UCT。倒置A2/O虽能避免回流污泥中硝酸氮对厌氧释磷的影响,但却以牺牲生物除磷为代价。进言之,UCT较A2/O可聚集更多反硝化除磷细菌(DPB),这将最大化同步脱氮除磷作用,同时亦可节省曝气量。但是,UCT在生物除磷上的优越性会导致出水SS中高含磷量(5%~6%,所以,较高的出水SS(10 mg/L)肯定会产生较高的出水总磷(TP)。降低出水SS(5 mg/L)并辅助外加碳源或侧流磷沉淀,UCT不仅可以满足国家一级A标准,甚至还能达到京标A之地方严格标准。厌氧单元上清液侧流磷沉淀与外加碳源具有异曲同工之处,可以将化学除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳之特点发挥至极致,不仅避免了外加碳源,亦可实现磷回收。

9月16日-19日,在青岛即将举办的“污水处理厂提标改造技术交流会”上,郝晓地教授将做题为“A2/O不宜作为污水处理升级改造工艺”的报告,为大家进行详细阐述,敬请关注!

郝晓地(1960-),男,山西柳林人,教授,从事市政与环境工程专业教学与科研工作,主要研究方向为污水生物脱氮除磷技术、污水处理数学模拟技术、可持续环境生物技术。现为国际水协期刊《Water Research》区域主编(Editor)。

1

工艺模型设计

实践表明,TUD与ASM联合模型亦适用于我国市政污水处理厂问题诊断、运行优化、工艺设计。因此,利用之前业已建立的TUD联合模型,采用AQUASIM 2.0模拟软件,分别对A2/O、UCT、倒置A2/O工艺建立工艺模型进行模拟。

1.1

工艺设计水质

结合北京某小型市政污水处理厂升级改造设计水量(20 000 m3/d)、水质(见表1),对模型所需COD参数按照污水水质特征化方法,将进水COD区分为如表2所示的S_I、S_A、S_F、X_I、X_S五种组分。

表1 设计水质年平均值(mg/L)

项目

COD

BOD5

SS

NH4+-N

TN

TP

指标

320

160

185

48

60

7.5

表2 模型COD参数组分划分(mg/L)

项目

S_I

S_A

S_F

X_S

X_I

指标

24

32

72

137

55

1.2

A2/O设计参数与工艺模型

参考我国南北方地区部分既有A2/O工艺实际运行参数,确定工艺模拟设计参数为:1)生化反应总水力停留时间HRT=13 h,其中,厌氧段HRT=3 h,缺氧段HRT=3 h,好氧段HRT=7 h;2)不设初沉池,二沉池HRT=3.6h;3)内回流比(QA)按进水水量(Qin)200%计,污泥回流比(QR)为进水水量(Qin)100%;4)污泥停留时间SRT=15d,好氧池溶解氧DO=2 mg/L。模拟工艺流程如图1所示。

图1 A2/O模拟工艺流程

实际污水厂曝气池内流态接近推流式,这就需要对AQUASIM 2.0中模拟单元以完全混合—推流式建立工艺模型(每个反应池分为串联的5个子反应器)。工艺模型中,二沉池分为清水区(60%)和污泥区(40%)两部分,包括水解、PAOs、异养菌、自养菌代谢活动的21个模型反应在污泥区亦全部开启,即考虑了沉淀池中微生物发生的各种生化反应。

1.3

UCT设计参数与工艺模型

为与A2/O比较,图2显示的UCT模型工艺完全移植了上述A2/O模拟工艺设计参数,只不过增加一个内回流QB。

图2 UCT模拟工艺流程

1.4

倒置A2/O设计参数与工艺模型

倒置A2/O实际上是对A2/O在空间上将厌氧与缺氧位置对换,如图3所示。因此,模拟工艺设计参数也完全与A2/O一致。

图3 倒置A2/O模拟工艺流程

2

模拟结果与分析

2.1

出水模拟结果及分析

北方污水处理厂冬季设计温度通常为12 ℃,夏季为20 ℃。为详细展示各工艺全年不同季节运行情况,再增加10 ℃和25 ℃两个极端温度进行模拟。模拟首先依据出水SS达到一级A标准(即10 mg/L)进行,模拟至稳定状态后的各工艺出水水质数据对比见图4。因各工艺出水SS统一设定为10mg/L,所以,根据模拟数据可以直接计算出水SS中COD、N、P之含量(见图5)。

(a) 溶解性COD

(b) 溶解性NH4+

(c) 溶解性NO3-

(d) TN(含SS

(e) 溶解性PO43-

(f) TP(含SS

图4 出水模拟计算结果

图4显示,各温度下三种工艺对COD去除几近一致,出水中溶解性SCOD≤25 mg/L。NH4+-N硝化能力在20 ℃以下时UCT明显高于A2/O,比倒置A2/O亦好许多。因各工艺反硝化能力受碳源(COD)限制,20 以下时UCT硝化产生的较多的NO3--N不能及时反硝化,以至于比其它两个工艺高1~3 mg/L。就TN而言,因各工艺SS中所含N成分不尽相同,20 ℃以下时倒置A2/O要比其它两个工艺低1~2 mg /L。无论溶解性PO43-还是TP,倒置A2/O表现均很差,几乎不具有生物除磷能力;而UCT在生物除磷方面要胜于A2/O。

综上所述,倒置A2/O只具有较强的脱氮能力,在生物除磷方面则无所作为。这是因为倒置A2/O完全违背了要将易降解COD(VFAs)首先在厌氧单元用于PAOs/DPB吸收的原则,以至于用反硝化方式几乎耗尽了VFAs,导致PAOs/DPB无COD可以利用,在系统中难以繁殖。显然,在同步脱氮除磷方面,倒置A2/O应禁止应用。否则,P无法生物去除。

UCT因避免了回流污泥中NO3-对厌氧单元PAOs/DPB的影响(竞争VFAs),所以,显示出比A2/O更好的生物除磷能力。此外,因UCT进入缺氧单元实际存在两个循环(QA+QR),使实际回流比为300%,导致NH4+-N硝化机会较A2/O无形增加100%,所以,UCT的硝化能力好于A2/O。尽管UCT300%的缺氧回流比理论上亦有助于增加反硝化的机会,但因碳源(COD)限制而不能将硝化而来的NO3-及时反硝化

(a) 出水SS中COD、N含量

(b) 出水SS中P含量

图5 出水SS中COD、N、P含量

图5显示,三种工艺出水SS中的COD和N含量基本相同,差别在于P含量。倒置A2/O出水SS中P含量明显很低(约占SS总干重2%),直接反映出SS中并不含PAOs/DPB。相反,UCT和A2/O出水SS中P含量高达5%~6%,且UCT要高于A2/O,这说明两工艺中均存在着相当的PAOs/DPB,这也是两工艺具有生物高除磷能力的一个旁证

2.2

反硝化除磷菌(DPB)除磷贡献率

反硝化除磷菌(DPB)首先发现于UCT和A2/O工艺之中,这种细菌使用同一碳源即可实现缺氧反硝化吸磷,可以在很大程度上避免以O2作为唯一电子受体的吸磷现象,不仅节省了脱氮除磷的碳源,亦可节省曝气量。表3列出了A2/O和UCT系统聚磷菌(PAOs)吸磷总量以及DPB在生物吸磷方面的贡献率。

表3 反硝化除磷贡献率统计表

表3显示,A2/O工艺中PAOs在缺氧以及好氧单元吸磷总量较UCT低22%~35%;UCT中PAOs的吸磷作用在20 以下时作用特别明显(>30%),应主要归功于DPB的反硝化除磷现象,低温时表现尤为突出,20 以下时比A2/O高12%~14%。换句话说,UCT工艺生物除磷在很大程度上均以反硝化除磷为主。从这个意义上说,UCT在同步脱氮除磷方面的性能绝对优于A2/O

2.3

降低出水SS水质效果模拟

尽管UCT与A2/O具有较好的同步脱氮除磷能力,但限于出水较高的SS浓度(10 mg /L),其出水TP浓度距离一级A标准仍然具有一定距离。因此,整体提高出水水质(进一步降低N、P浓度)的技术措施是降低出水中SS的浓度,这也是MBR工艺运用而生的主要理由。其实,设计和运行良好的传统二沉池完全可以达到与MBR膜分离几近一致的分离SS(≤ 5 mg/L)的效果。即使传统二沉池难以胜任将SS降至≤5 mg/L,后接简单砂滤即可奏效,况且目前还出现了高效沉淀设备。在上述模拟基础上,只需设定出水SS=5 mg/L,其它任何参数保持不变。进一步模拟结果见图6。

(a) 溶解性COD

(b)溶解性NH4+

(c) 溶解性NO3-

(d) TN(含SS

(e) 溶解性PO43-

(f) TP(含SS

图6 不同出水SS下模拟结果

图6显示,降低出水SS后水质效果主要体现在出水TP上,效果非常明显,特别针对UCT,使出水TP从>0.5 mg /L降至<0.5 mg /L,已满足一级A排放标准(A2/O仍难以达标!)。这是因为UCT中PAOs/DPB含量多,SS中的P含量也就相应较高(5%~6%),因此降低出水SS对降低TP也就至关重要。其它出水指标(没有变化或略有变化,主要受出水SS降低后回流污泥浓度有所提高影响(MLSS浓度升高约100 mg/L)。

3

UCT工艺优化效果模拟

上述模拟结果显示,UCT较A2/O工艺在脱氮上好一些,并在除磷方面好很多。然而,就特定模拟进水水质而言,即使UCT工艺也仅仅是满足国家一级A排放标准,还不能达到京标B标准(SS=10 mg /L,COD=30 mg/LTN=15 mg/L,NH4+-N=1.5/2.5 mg/L,TP=0.3 mg/L)、甚至是京标A标准(SS=5 mg/L,COD=20 mg/LTN=10 mg/L,NH4+-N=1/1.5 mg/L,TP=0.2 mg/L)。对此,可从外加碳源(增加C/P比)或侧流磷沉淀(相对提高C/P比)角度解决进水可降解碳源不足的问题。

3.1

外加碳源

在上述模拟的基础上,保持进水总COD不变,对表2所列COD可降解组分(S_A: 32mg/L62mg/LS_F: 72mg/L82mg/L)适当提高(40 mg/L),并相应减少慢性降解组分(X_S)比例(137mg/L97mg/L)。

3.2

侧流磷沉淀

厌氧上清液侧流磷沉淀方式可以将化学除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳的特点有机结合。为此,基于图2所示UCT工艺,在厌氧池末端增加一上清液侧流磷沉淀/分离单元(图7),取侧流比为进水量(Qin)的15%;侧流上清液以金属磷酸盐形式沉淀,磷去除率设定90%。

图7 侧流磷沉淀UCT模拟工艺流程

3.3

模拟结果分析

后两种强化工艺在出水COD上无差别。外加碳源因常规异养菌(OHO)、磷细菌数量增多使硝化受到一些抑制,但因反硝化/反硝化除磷作用增强而致TN下降约 1mg /L。侧流磷沉淀在脱氮上作用虽不及外加碳源,但较原始UCT有明显效果(TN下降约0.5 mg /L)。其实,外加碳源和侧流磷沉淀的工艺性能强化作用主要表现在除磷上,两者均能使出水PO43-大幅下降(>50%),最终致出水TP下降至0.21~0.33 mg P/L,特别是侧流磷沉淀均<0.3 mg P/L。

(a) 溶解性COD

(b) 溶解性NH4+

(c) 溶解性NO3-

(d) TN浓度(含SS)

(e) 溶解性PO43-

(f) TP浓度(含SS)

图8 不同条件UCT工艺出水模拟结果

显然,UCT外加碳源或侧流磷沉淀在增加C/P方面具有异曲同工之处,导致的最终脱氮除磷效果完全可以达到京标B标准。侧流磷沉淀使N、P指标已基本接近京标A标准。显然,进一步降低出水COD和N、P,完全达到京标A标准只需再降一下SS(图9)即可,简单砂滤似乎即可奏效。

(a) 出水SS中COD、N含量

(b) 出水SS中P含量

图9 原始UCT以及变型工艺出水SS中COD、N、P含量

4

结 语

污水处理升级改造是大势所趋,技术选择不仅受国标、地标(尽管很大程度上缺乏科学性)制约,更重要的还是工艺决策、设计者缺乏对常规工艺机理的深刻理解,以至于出现很多认识误区,使本来生物处理便能一并解决的脱氮除磷问题往往通过延长流程的方式,以化学、物理、甚至再加生物的后端形式加以“强化”去除。流程延长导致管理复杂、运行费用攀升等弊端一方面让运行单位怨声载道,另一方面,高物耗、能耗、药耗工艺也背离可持续的原则

相同进水水质、工艺设计参数下的数学模拟结果显示,UCT在脱氮上较A2/O工艺要稍好一些,但在除磷方面优势明显。针对回流污泥中NO3-可能影响厌氧释磷的问题,国内试图以倒置A2/O形式加以解决。但缺氧先行只能以本来应留给磷细菌的VFAs让常规反硝化“捷足先登”,结果让磷细菌无“食”可得,不能在系统内生长。通过数学模拟,这一论点得到印证,倒置A2/O系统中几乎无磷细菌存在,因此,也就难具生物除磷效果

生物除磷效果越好,出水中溶解性PO43-就越低,而出水SS中因聚磷菌缘故使P含量高(5%~6%)才是制约出水TP达标排放的关键。因此,UCT工艺加高效沉淀池或简单砂滤即可将出水SS降至5 mg/L以下,可能并不需要MBR的助力

针对进水碳源不足现象,固然可以采取外加碳源方式强化生物脱氮除磷,但采用厌氧单元上清液侧流磷沉淀方式具有异曲同工之处,不仅可以回收磷,亦可相对增加C/P值,将化学除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳之特点有机结合,最大程度发挥化学、生物除磷各自优势。模拟显示,侧流磷沉淀甚至可以使出水TP达到京标A标准,不仅节省了碳源,而且节省大量化学沉淀药剂。

论文全文将发表在《中国给水排水》杂志上,题目:A2/O工艺用于污水处理厂升级改造的适宜性探讨,作者:郝晓地,李天宇,吴远远,Mark van Loosdrecht

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污水厂提标改造中A2/O工艺应用发展趋势

原创2016-11-10马宁,等中国给水排水

导读

随着社会经济发展和环保意识提高,我国城镇污水处理厂排放标准日益严格。在此期间,A2/O工艺因具有出水水质好、结构简单等特点已在我国大中型污水处理厂及再生水厂得到了广泛应用。论文阐述了A2/O工艺针对不同的出水水质指标和进水特性对工艺进行阶段性提标改造的常用技术手段,包括低碳氮比、低温等情况下达到一级A排放标准的技术措施,进一步提高再生水回用水质的A2/O-MBR工艺组合及其深度处理方案等。针对现有A2/O及其改进工艺的不足,未来A2/O工艺的主要发展趋势是基于“能源回收自给”的可持续脱氮除磷,同时存在对氮磷等植物营养物深度去除和内分泌干扰物高效净化的深度处理技术需求。

作者简介:马宁(1983-),男,安徽合肥人,博士研究生学历,高级工程师,主要研究方向为水污染控制工程。

1

A2/O工艺的应用与挑战

据统计,A2/O及以其为基础的脱氮除磷工艺目前在我国已占据50%以上的市场。截止到2014年1月,北京市已运营的44家万吨级以上污水处理厂中,共有11家污水处理厂采用了A2/O工艺及其改进型工艺,A2/O工艺的处理规模占北京市年污水处理能力的60.5%,其中有4家为10万吨级以上的设计运营规模,如高碑店污水处理厂、小红门污水处理厂、清河污水处理厂等。然而,A2/O工艺自身特点注定了其将面临硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有机负荷、泥龄以及碳源需求上存在着矛盾和竞争, 因此难以同时实现碳、氮、磷的高效去除,并满足日益严格的排放限值。

2

基于一级B 达标排放的A2/O工艺的难点与主要技术措施

2.1

基于一级B达标排放的A2/O工艺典型问题

污水处理厂从国标GB18918-2002二级排放标准提升为一级B的难度相对较低,采用A2/O工艺需解决的技术问题也较为明确,一般通过对溶解氧(DO)、混合液回流比(RN)、污泥回流比(R)和水力停留时间(HRT)等各参数优化控制即可达到。

2.2

溶解氧(DO)控制

好氧池过高的DO不仅会抑制硝化菌的硝化作用,而且破坏厌氧池和缺氧池的低DO状态;过低的DO会限制硝化菌的生长率,严重影响污水的脱氮效果。缺氧池DO变化可通过抑制硝酸盐还原酶的合成和活性,影响反硝化过程。早期研究者对A2/O工艺各阶段DO的控制总结得出:好氧池DO控制在2.0mg/L左右、缺氧池DO在0.2~0.5mg/L、厌氧池DO在0.2mg/L以内为宜

2.3

混合液回流比(RN)和污泥回流比(R)的影响与选择

选择合适的混合液回流比(RN)和污泥回流比(R)对污水脱氮效果至关重要。RN过大时需要高功率的回流泵,增加能耗。反之,当RN较小时,脱氮效率降低。R过小时,厌氧池污泥负荷增加,将影响各段的生化反应效率;R过大则抑制聚磷菌释放磷的效果,降低总磷去除率。李明等人通过对A2/O工艺的研究对比得出,一般R=50%~100%,最低不可低于40%;李银波等人采用A2/O脱氮除磷工艺中试试验表明,RN为200%时系统处理效果最佳。

2.4

水力停留时间(HRT)的影响与设定

一般来说,延长HRT时间有利于提高COD去除效果,但对于厌氧池,过长的HRT容易产生污泥膨胀,过短水流速度较大,易导致活性污泥流失;相对于好氧池,过长的HRT则使SRT缩短,影响污泥释磷效果,增加污泥排放量;较短的HRT使污水中硝化过程不充分,不利于脱氮。李永峰等与林琳等人研究结果对比表明,HRT对TN、TP和NH3-N的去除率影响较大,对COD去除率影响相对较小;HRT控制在5~8h时,系统整体功能性较好。

北京小红门污水厂处理厂

麋鹿苑里湿地的水源来自于小红门污水处理厂

3

针对一级A达标排放的A2/O工艺的难点与主要技术措施

3.1

针对一级A 达标排放的A2/O工艺难点

出水水质进一步从一级B标准提标至一级A标准回用时,COD、TN、氨氮和TP要求均有所提高。在合理C/N比以及非低温环境下,通常采用A2/O工艺进行优化调试能够达到一级A标准要求;但对于C/N比较低或低温环境等不可控问题,仅通过简单工艺调试很难达到一级A水质要求。

3.2

低C/N比问题及其技术措施

根据住建部“全国城镇污水处理信息系统”数据显示,我国大部分城镇都面临着C/N比偏低的现象,多数城市污水中C/N比在3~4之间。在采用A2/O工艺处理低C/N值污水时,一般脱氮除磷效率不高,因此较难达到一级A标准。目前常用的解决措施主要从外加碳源和内碳源两方面着手。

投加碳源:这是一种能够快速有效提高C/N值的最简单办法。为反硝化过程提供足够的碳源(如甲醇、葡萄糖、乙酸钠等)能够有效地提高脱氮效率,但长期投入显然增加污水处理成本。

投加垃圾渗滤液:陈杰明等人对重庆市某大型污水厂投加垃圾渗滤液补充碳源方法进行了研究,当垃圾滤液的投配率为0.1%时,活性污泥不会受到垃圾滤液的毒性干扰,同时可为系统增加约15%的碳源,一方面可以解决垃圾滤料的排放问题,另一方面投入成本低,是一种较经济实用的借鉴。

增设单元:池年平等人通过在传统A2/O工艺前端增设预缺氧池形成A-A2/O(缺氧—厌氧—缺氧—好氧)工艺得出相较于A2/O工艺脱氮除磷效果有显著的提升;A-A2/O工艺脱氮主要在预缺氧池和缺氧池完成,且两者脱氮量相当,厌氧池则可专注于除磷,是一种克服低C/N比的有效方法。例如,东莞市华骏污水处理厂(5万吨/日)采用A-A2/O工艺,将来自二沉池的回流污泥和10%左右的进水进入反硝化池,消除硝态氮对厌氧池释放磷的不利影响,强化了除磷脱氮效果,出水基本达到一级A标准限值。

工艺优化:将传统A2/O工艺中厌氧池与缺氧池顺序调换可形成倒置A2/O工艺,通过对倒置A2/O研究,黄理辉、张杰等人发现缺氧段之前能够优先得到碳源,单位容积反硝化能力增强,反硝化效果能够得到有效地保证;同时,回流污泥经过完整的吸磷和释磷过程,除磷效果也较好。广东省佛山市某污水处理厂(20万吨/日)和宁夏石嘴山市第一污水处理厂(6万吨/日)等均采用倒置A2/O工艺对原有工艺进行升级改造和调试,保证了厌氧池的厌氧状态,强化了脱氮除磷效果,确保了出水满足国标一级A排放标准。

分段进水:通过分段进水的形式可有效强化系统对原水中碳源的利用,提高对污染物的去除能力。青岛城阳污水处理厂(5万吨/日)通过分段进水的方式提高系统对原水中碳源的利用率,强化了脱氮除磷能力,并成为中国环保产业协会评出的城市污水处理达一级A标准的示范工程。改良后的生物池出水水质达到一级A 标准基础上,每天可节省电耗约672 kW·h。

3.3

低温问题及其解决措施

目前,低温低碳是我国大部分污水处理厂面临的最棘手的问题。温度对微生物细胞的繁殖、生物种群的组成、活性污泥的絮凝性能、曝气池对氧的利用效率以及水的粘度等都有较大的影响。低温显著降低硝化菌和反硝化菌的活性,严重影响脱氮除磷效果。

针对低温问题,倒置A2/O工艺也可作为缓解手段之一。张智等人]对重庆市鸡冠石污水处理厂的倒置A2/O工艺在低温脱氮除磷效果不稳定的问题进行了研究,表明低温条件下将污泥浓度提高到5500~6000mg/L、好氧池DO控制在1.2mg/L左右时,出水能够达到国标一级A标准。

A2/O-BAF是目前克服低碳氮比下的低温问题最常用工艺之一。通过后置BAF工艺,王建华等人得出A2/O-BAF工艺在低温条件下脱氮除磷能够同时取得良好的效果,不仅出水达到国家一级A标准,而且A2/O段活性污泥的平均SVI 为85.4mL/g,具有良好的沉降性。萧县城北污水处理厂(5万吨/日)于2015年采用水解酸化-A2/O-BAF工艺处理市政污水,强化了脱氮除磷效果,出水满足国标一级A排放标准。

萧县城北污水处理厂

4

针对地表水IV类回用要求的A2/O工艺的典型问题及主要技术措施

4.1

基于地表水IV类回用要求的A2/O工艺面临的挑战

为实现水体污染物减排目标、提高水资源循环利用率、改善河湖水环境质量及恢复水体功能,我国部分典型缺水城市(如北京市)已率先在国标基础上进一步提高对污水排放标准,将排放标准提升至北京市地方标准DB 11/809-2012(接近地表水IV类)。该标准在COD、TN、氨氮和TP等指标更加严格,这对于大部分现有污水处理厂来说,仅通过简单的工艺调整很难达到排放要求。

4.2

对于地表水IV类及以上回用要求的A2/O工艺采取的主要措施

一般来说,将污水通过A2/O工艺处理至地表水IV类回用要求时,不仅要具有较高的脱氮除磷水平,还要求具有很高的有机污染物去除性能。在进水满足要求基础上,可采取的总体策略是:一方面,采用现有的二级强化,特别是新型生化强化工艺,尽可能提高二级处理段的脱氮除磷能力;另一方面,需引入深度处理工艺,尤其是以膜技术及其组合工艺为代表的深度回用水处理工艺,可将二级处理出水处理至地表水IV类或以上水质。

A2/O-MBR及其改进工艺

虽然A2/O工艺具有良好的脱氮除磷效果,但其脱氮效率很难进一步提高。为此,Adam等一批学者提出了将A2/O与MBR相结合(A2/O-MBR工艺)的污水处理方式,不仅出水水质效果好、污染物指标去除率高,而且实现了HRT与SRT之间相互独立,很好地解决了传统活性污泥法同步脱氮除磷时两者所需污泥龄不同的矛盾,不足是膜污染将导致维护运行成本也相应提高。为积极响应北京市政府“污水治理三年行动方案”(2013-2015年),北京市肖家河污水处理厂(8万吨/日)由A2/O升级改造至A2/O-MBR工艺,改造后出水水质由国标一级A标准提高到北京市地标B标准,主要指标满足地表IV类水体标准。在升级改造过程中,该厂表现出诸多亮点,如占地面积小、污水处理无间断、扩建不扩地、节能型MBR技术、紫外加臭氧氧化技术等。

为提高A2/O工艺的脱氮除磷能力,可在一级A提标改造的基础上进一步形成倒置A2/O-MBR和A2/O-A-MBR等组合工艺。张健君等人对倒置A2/O-MBR中试表明,该系统具有高效的生物除磷效果,主要由于倒置A2/O段理想的释磷环境和MBR段膜分离对胶体形态磷的截留作用;董良飞等在A2/O基础上开展了A2/O-A-MBR工艺处理低碳源城市污水的中试研究,经过60天的调试运行,出水已基本达到地表水IV类的回用要求,进一步提高了脱氮除磷的水平。

A2/O-MBR+膜分离工艺

在A2/O-MBR组合工艺及其改进工艺的基础上,进一步引入膜分离单元作为再生回用的三级处理单元,可以实现污水资源化高效回用。根据深度处理膜单元自身的特点,可将二级处理出水处理至地表水IV类或以上水质。北京市翠湖再生水厂(1.3万吨/日)在传统A2/O工艺基础上增加前置或后置缺氧池,并与MBR相结合,已使得水质可以达到出水达到地表水IV类标准;进一步将其中的0.7万吨/日的MBR出水采用超低压反渗透(DFRO)膜处理,出水水质标准提升至满足国标(GB3838-2002)的地表水Ⅲ类标准,可回灌地下水或用于工业循环用水,同时亦满足翠湖国家湿地公园补水需求。

A2/O-MBR+人工湿地工艺

对于氮磷等部分指标偶尔超标的A2/O-MBR工艺,可后续采用潜流人工湿地,发挥植物根系吸收和富氧作用、基质填料截留及微生物的分解作用,进一步去除氮磷等植物营养物,可有效保障A2/O-MBR工艺出水达到地表水IV类限值。

北京翠湖再生水厂

4.3

基于再生水厂提标改造A2/O工艺未来发展趋势

截止目前,A2/O及其改进工艺已在我国的大中型污水处理厂中广泛应用并对生态环境保护产生了积极的作用。然而,我国的污水处理工艺首要目标是“去除污染物”而不是“回收能源”,造成了A2/O工艺和国内其他污水处理工艺类似,在实际应用中仍然表现出能耗高、能源自给率低和出水需深度处理等特点。随着污水处理厂的进一步发展,以实现“工艺能耗最小化”、“消化产能最大化”和“能源回收自给最大化”的可持续脱氮除磷将是A2/O工艺未来发展的主要趋势。这就要求未来污水处理厂除了做好节能降耗优化和水资源可持续循环利用以外,还需要集中消化水解污泥、最大程度回收有用资源和提高污水处理厂能源自给率,甚至包括在有适度外源有机废物协同处理的情况下,尽可能做到能源零能耗。

在生态友好性方面,未来污水处理厂应具有感官舒适、建筑和谐、环境互通、环境友好等方面的特征。然而,现有工艺在污水资源化利用进程中仍然难以在实际运行中实现对氮磷等植物营养物的深度去除需求和对环境众多内分泌干扰物的高效净化功能,攻关研发针对此类需求的前瞻性工艺将可能是提高污水处理厂出水生态友好性的主要发展方向。

5

总结与展望

针对不同排放水质指标和不同污水特性的污水处理厂升级改造,A2/O工艺出水水质稳定、脱氮除磷效果好、COD去除率高,一般能达到国标一级B或者一级A排放要求,是目前大中型污水处理厂应用最广泛的污水处理工艺。

A2/O工艺难以通过简单的系统优化达到出水水质接近国标地表水IV类限值标准,A2/O-MBR组合工艺则以其独特的优势在此需求上具有良好的实际工程效果,因此将在污水处理厂改造过程中具有较好的推广潜势。

A2/O-MBR工艺在提标改造中具有出水水质效果好、升级改造容易等诸多优势,但同时也存在着一些需注意的问题(如维护要求严、运行成本高等),因而存在后续改进完善的空间。

A2/O及其改进工艺当前表现出能耗水平高、能源自给率低和出水需深度处理等不足,基于“能源回收自给”的A2/O可持续脱氮除磷、植物营养物深度去除和内分泌干扰物高效净化等是其未来发展的主要趋势和方向。

(更详细内容参见《中国给水排水》第20期:污水处理厂提标改造中A2/O工艺研究进展与应用趋势,作者:北京市水科学技术研究院流域水环境与生态技术北京市重点实验室 马宁、刘操、韩旭、骆虎、杨兰琴,首都师范大学资源环境与旅游学院 汪浩,北京市排水管理事务中心 侯达)

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